CN109745933A - 一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，包括反应箱体、透氢反应器和透氧反应器，透氢反应器位于反应箱体内的上部，透氧反应器位于反应箱体内的下部，反应箱体的上壁与透氢反应器之间形成氢气腔体，反应箱体的下壁与透氧反应器之间形成空气腔体，所述透氢反应器和透氧反应器之间形成反应腔体，所述反应箱体的上壁设有氢气入口管和氢气出口管，所述反应箱体的下壁设有空气入口管和空气出口管，所述反应箱体的前壁和后壁分别设有苯入口管和苯酚出口管。本发明的效果和益处是将透氢膜、透氧膜和钛硅分子筛组装成催化膜微反应器用于苯一步氧化制备苯酚，提高物料的界面接触，提高原料利用率，提高苯的转化率和苯酚的收率，降低成本。

Description

一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器
技术领域
本发明属于膜催化反应技术领域，涉及到一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器。
背景技术
苯酚是重要的化工原料，生产方法主要是异丙苯法，该工艺流程长、能耗大、污染严重、副产大量低价值丙酮。因此，人们开始研究将苯直接氧化合成苯酚的工艺路线，即通过活化C-H键直接将-OH引入苯环，是合成化学中最难解决的问题之一。按氧化剂不同，分为N2O、H2O2和O2氧化法。
N2O、H2O2氧化法可获得较高的苯酚收率，但N2O的生产、储存和使用很不方便；H2O2易分解，有效利用率低，导致成本高，限制了工业化应用。O2氧化法是以纯氧或空气中的氧对苯氧化制取苯酚。O2来源充足、价格低廉、无污染，特别是H2-O2“原位”产生H2O2氧化苯一步合成苯酚，不易产生难分离和污染的副产物，是一条最受人们欢迎的绿色合成路线。它通常以Pd-Cu或Pt-VOX为催化剂，苯酚选择性高（＞90%），但转化率太低（＜2%），离工业应用较远。另外，H2-O2混合进料，存在严重的爆炸危险和安全隐患。
Pd膜催化技术，突破了H2-O2一步氧化苯制苯酚存在的难题。苯+O2与H2分别从Pd膜两侧分开进料，氢气通过钯膜变成活性氢原子，然后与氧气结合生成HOO *、H2O2等活性氧物种，进而与苯反应生成苯酚，避免了H2-O2直接混合进料带来的爆炸危险。但钯膜在较低的反应温度下（＜300℃）运行，存在脱落和热点现象，稳定性较差。钯膜反应器的关键问题是如何提高催化活性和原料利用率；避免Pd膜脱落和热点现象、提高使用寿命；进一步降低成本；如何稳定“原位”形成的H2O2等物种，避免其快速分解，促使其与苯反应形成苯酚。
PdAu合金膜具有更好的透氢性能和稳定性能，而且具有更好的合成H2O2等活性氧物种的能力。钛硅分子筛对H2O2参加的有机物选择性氧化具有良好作用，能有效稳定H2O2、抑制其快速分解。高活性的钛硅分子筛通常为200-300nm的纳米粒子，在钯膜表面负载一层疏松的纳米钛硅分子筛，必将更好地发挥其双功能作用。为了调节H2O2的生成速率，除了利用Pd膜控制H2进入，也应该使O2分布式的进入反应区间。Ag膜对O2具有优异的渗透选择性，可直接以空气为原料，通过Ag膜分离O2并控制其进入反应器。通过PdAu膜和Ag膜，可以使H2/O2/苯分开进料，抑制过度氧化和加氢副反应，也避免了H2-O2直接接触带来的爆炸危险和安全隐患。微化工技术是现代化工发展的重要方向之一，微反应器能耗低、表面/体积比高、响应时间短、反应可控性好、传质传热性能优良、流动和温度分布均一、易于放大，可获得更高的转化率和选择性，而且可使反应过程平稳、安全、连续集成化清洁生产。
基于以上原因，本发明设计了一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，以解决上述背景技术中提出的问题，显著提高H2-O2体系苯一步氧化制苯酚的转化率和产率，提高膜反应器的催化性能和稳定性能。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，包括反应箱体、透氢反应器和透氧反应器，其特征在于：所述反应箱体位于电阻炉内，所述透氢反应器位于反应箱体内的上部，透氧反应器位于反应箱体内的下部，所述透氢反应器和透氧反应器的四边与反应箱体内壁连接，所述反应箱体的上壁与透氢反应器之间形成氢气腔体，所述反应箱体的下壁与透氧反应器之间形成空气腔体，所述透氢反应器和透氧反应器之间形成反应腔体，所述反应箱体的上壁设有氢气入口管和氢气出口管，所述氢气入口管和氢气出口管穿过电阻炉上壁与外界连通；所述反应箱体的下壁设有空气入口管和空气出口管，所述空气入口管和空气出口管穿过电阻炉下壁与外界连通；所述反应箱体的前壁和后壁分别设有苯入口管和苯酚出口管；所述苯入口管和苯酚出口管分别穿过电阻炉的前壁和后壁与外界连通。
优选的，所述透氢反应器和透氧反应器均包括多孔不锈钢平板和若干多孔不锈钢竖板，用以透过氢气或空气；所述多孔不锈钢竖板垂直设置在多孔不锈钢平板上，所述多孔不锈钢竖板之间形成若干通道；所述透氢反应器的通道内壁设有透氢膜，用以将透过的氢气转化为活性氢原子；所述透氧反应器的通道内壁设有透氧膜，用以分离空气中的氧气；所述透氢反应器和透氧反应器的多孔不锈钢竖板均朝向反应腔体。
进一步的，所述透氢膜为PdAu合金膜；所述透氧膜为Ag透氧膜。
进一步的，所述透氢膜和透氧膜表面均负载钛硅分子筛，稳定活性氢原子和氧气合成的过氧化物种，抑制其分解。
进一步的，PdAu合金膜的制备方法：以AuCl3·HCl·4H2O为金的成膜材料，用氢氧化钠调节镀液pH值为11，以甲醛为还原剂，亚硫酸钠、硫代硫酸钠、抗坏血酸、乙二胺四乙酸二钠为稳定剂和络合剂，采用化学镀法在Pd膜表面制备Au膜；反应完毕后用乙醇和去离子水冲洗干净，100℃下干燥12h；然后进行PdAu合金化，在N2气氛下，将PdAu膜前驱体升温到350℃，然后换成H2气氛继续升温到550℃，保温一定时间后降温到350℃，将H2重新切换成N2，降至室温，升降温速率为1-2℃/min。
进一步的，Ag透氧膜的制备方法：采用化学镀法，首先采用SnCl2-PdCl2两步法在载体表面充分敏化-活化至载体表面呈黑褐色；然后以硝酸银作为银的成膜材料，用氨水调节镀液pH值为8-9，以乙二胺四乙酸二钠作为络合剂，水合肼为还原剂；采用夹套式容器作为化学镀反应器，通过水浴控制镀液的温度；反应完毕后将镀有银膜的载体用乙醇和去离子水冲洗干净，100℃下干燥12h。
本发明的效果和益处：
（1）PdAu合金膜具有更好的合成H2O2等活性氧物种的能力及更高的氢气透量和低温稳定性，可以保证透氢反应器的性能，延长使用寿命；（2）Ag透氧膜，对O2具有优异的渗透选择性，可以直接以空气为原料，降低成本；（3）控制H2、O2、苯分别进入反应箱体，真正实现物料的分离，并且在相近温度段下通过PdAu膜和Ag膜分别透氢和透氧，优化反应流程，也解决了H2-O2直接混合进料带来的爆炸危险和安全隐患；（4）通过PdAu合金膜和Ag膜控制H2和O2的输入速率，调节H2O2等活性氧物种的生成速率，达到与苯反应速率的最佳匹配，提高原料利用率和苯酚产率；（5）PdAu合金膜和Ag透氧膜表面负载的纳米钛硅分子筛起着“原位”生成的H2O2等活性氧物种稳定剂的作用，提高原料的有效利用率；（6）可以很容易的将微反应器并联连接，实现多个微反应器的并行组装、放大。
附图说明
构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解。在附图中：
图1为本发明一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器的剖视图。
图2为本发明透氢反应器的俯视图。
图3为本发明透氧反应器的俯视图。
图4为本发明透氢反应器的侧视图。
图5为本发明透氧反应器的侧视图。
图6为本发明透氢反应器的局部放大图。
图7为本发明透氧反应器的局部放大图。
图中：1、反应箱体；2、氢气腔体；3、空气腔体；4、反应腔体；5、氢气入口管； 6、氢气出口管；7、空气入口管；8、空气出口管；9、苯入口管；10、苯酚出口管；11、多孔不锈钢平板；12、多孔不锈钢竖板；13、透氢膜；14、透氧膜；15、钛硅分子筛；16、电阻炉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-7所示，一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，包括反应箱体1、透氢反应器和透氧反应器，其特征在于：所述反应箱体1位于电阻炉16内，所述透氢反应器位于反应箱体1内的上部，透氧反应器位于反应箱体1内的下部，所述透氢反应器和透氧反应器的四边与反应箱体1内壁连接，所述反应箱体1的上壁与透氢反应器之间形成氢气腔体2，所述反应箱体1的下壁与透氧反应器之间形成空气腔体3，所述透氢反应器和透氧反应器之间形成反应腔体4，所述反应箱体1的上壁设有氢气入口管5和氢气出口管6，所述氢气入口管5和氢气出口管6穿过电阻炉16上壁与外界连通；所述反应箱体1的下壁设有空气入口管7和空气出口管8，所述空气入口管7和空气出口管8穿过电阻炉16下壁与外界连通；所述反应箱体1的前壁和后壁分别设有苯入口管9和苯酚出口管10；所述苯入口管9和苯酚出口管10分别穿过电阻炉16的前壁和后壁与外界连通，通过苯入口管9和苯酚出口管10将反应箱体1安装在电阻炉16内。
所述透氢反应器和透氧反应器均包括多孔不锈钢平板11和若干多孔不锈钢竖板12，用以透过氢气或空气；所述多孔不锈钢竖板12垂直设置在多孔不锈钢平板11上，所述多孔不锈钢竖板12之间形成若干通道；所述透氢反应器的通道内壁设有透氢膜13，用以将透过的氢气转化为活性氢原子；所述透氧反应器的通道内壁设有透氧膜14，用以过滤空气中的氧气；所述透氢反应器和透氧反应器的多孔不锈钢竖板12均朝向反应腔体4。所述透氢膜13为PdAu合金膜；所述透氧膜14为Ag透氧膜。所述透氢膜13和透氧膜14表面均负载钛硅分子筛15，稳定活性氢原子和氧气合成的过氧化氢，抑制其分解。
所述多孔不锈钢平板11和多孔不锈钢竖板12利用不锈钢粉末和造孔剂混合烧结制得，所述多孔不锈钢竖板12的远离多孔不锈钢平板11的端面为实心结构，可有效防止氢气未经PdAu合金膜或空气未经Ag透氧膜而进入反应腔体4。
PdAu合金膜的制备方法：以AuCl3·HCl·4H2O为金的成膜材料，用氢氧化钠调节镀液pH值为11，以甲醛为还原剂，亚硫酸钠、硫代硫酸钠、抗坏血酸、乙二胺四乙酸二钠为稳定剂和络合剂，采用化学镀法在Pd膜表面制备Au膜；反应完毕后用乙醇和去离子水冲洗干净，100℃下干燥12h；然后进行PdAu合金化，在N2气氛下，将PdAu膜前驱体升温到350℃，然后换成H2气氛继续升温到550℃，保温一定时间后降温到350℃，将H2重新切换成N2，降至室温，升降温速率为1-2℃/min。
Ag透氧膜的制备方法：采用化学镀法，首先采用SnCl2-PdCl2两步法在载体表面充分敏化-活化至载体表面呈黑褐色；然后以硝酸银作为银的成膜材料，用氨水调节镀液pH值为8-9，以乙二胺四乙酸二钠作为络合剂，水合肼为还原剂；采用夹套式容器作为化学镀反应器，通过水浴控制镀液的温度；反应完毕后将镀有银膜的载体用乙醇和去离子水冲洗干净，100℃下干燥12h。
SnCl2-PdCl2两步法为：以2g/L的 SnCl2盐酸溶液作为敏化液，0.2g/L的 PdCl2盐酸溶液作为活化液对载体进行敏化活化（Sn2++ Pd2+→Sn4++ Pd0）。具体操作步骤如下：1、将载体放置到含有SnCl2的敏化液中浸渍4min，对载体进行敏化处理；2、用去离子水对敏化后的载体冲洗1分钟去除表面残余的敏化液；3、将冲洗后的载体放入含有PdCl2的活化液中浸渍4min，对载体进行活化处理；4、活化完成后用去离子水对载体冲洗1分钟去除表面残余的活化剂。将上述过程重复9-11次至载体表面呈现黑褐色为止。
PdAu合金膜及Ag膜表面钛硅分子筛的负载方法：
1）以正硅酸四乙酯（TEOS）、钛酸四丁酯（TBOT）、四丙基氢氧化铵（TPAOH）、十六烷基三甲基溴化铵（CTABr）、PEO-PPO-PEO（P123）等为原料，合成TS-1、Ti-MCM-41和Ti-SBA-15。将上述三种分子筛放入乙醇溶液中，150-180℃下在烘箱中静置12-36h，获得不同中空结构的钛硅分子筛，完成了对钛硅分子筛的改性处理。将改性处理后的钛硅分子筛配成浓度为0.05-0.1wt%的乙醇溶液。
2）将硅烷偶联剂与乙醇按一定比例混合制得溶液，将负载PdAu合金膜或Ag透氧膜的透氢反应器或透氧反应器垂直固定于上述溶液中，然后密封于不锈钢反应釜内，100℃烘箱静置2-4h，然后用乙醇冲洗除去残余的硅烷偶联剂。
3）将第1步配置的0.05-0.1wt%分子筛的乙醇溶液置于聚四氟乙烯釜内，然后把第2步处理的载体垂直固定于容器中，密封于不锈钢合成釜内，100℃下静置在烘箱中晶化2-4h，然后用乙醇反复清洗。
4）将样品在100℃下烘干，然后在马弗炉内200-300℃焙烧6-10h，升降温速率1℃/min，即可在PdAu合金膜或Ag透氧膜表面负载一定量的钛硅分子筛催化剂。
PdAu合金膜具有更好的透氢性能和稳定性能，而且具有更好的合成H2O2的能力。如果将PdAu合金膜用于苯制苯酚反应，能产生优异的反应效果。
钛硅分子筛15能有效稳定H2O2、抑制其快速分解，在苯制苯酚反应中体现了优异的催化性能，提高原料的有效利用率。骨架钛可以与H2O2反应生成Ti过氧物种（Ti-OOH），避免活性氧物质的快速消耗，并确保活性氧物质有足够的时间与苯反应生成苯酚。Pd催化H2和O2产生H2O2，钛硅分子筛催化H2O2与苯生成苯酚。PdAu合金膜表面负载钛硅分子筛15，还可以发挥Au-Ti催化剂的协同优势。Ag透氧膜对O2具有优异的渗透选择性，直接以空气为原料，通过Ag透氧膜分离并控制O2进入反应腔体。通过PdAu透氢膜和Ag透氧膜控制H2和O2的输入速率，调节H2O2的生成速率，从而达到与苯制苯酚反应速率的最佳匹配，最大限度的提高原料利用率。而且，在相近温度段下通过PdAu合金膜和Ag透氧膜分别透氢和透氧，优化反应流程，也避免了H2-O2直接接触带来的爆炸危险。
与传统反应器相比，微反应器能耗低、表面/体积比高、响应时间短、反应可控性好、传质传热性能优良、流动和温度分布均一、易于放大，可以获得更高的转化率和选择性，而且可使反应过程平稳、安全、连续集成化清洁生产。与传统反应器相比，在很高的进料空速下，反应速率和转化率都很高，体现出微反应器快速传质传热的整体优势。相对于常规的钯膜反应器，微反应器的高比表面可以使更多的活性氢参与反应，而且PdAu合金膜和Ag透氧膜表面反应物浓度更均一，有利于提高苯酚选择性和产率。
使用微反应器制备苯酚的工作流程为：
启动电阻炉16，并对其进行控温至设定温度200-300℃，然后通过外接的流量控制计控制氢气和空气进料，从空气入口管7和氢气入口管6分别通入空气和氢气进入空气腔体3和氢气腔体2，空气通过透氧反应器的多孔不锈钢平板11和多孔不锈钢竖板12，然后通过Ag透氧膜过滤出氧气，使得氧气经通道进入反应腔体4，氢气通过透氢反应器的多孔不锈钢平板11和多孔不锈钢竖板12，然后通过PdAu合金膜将氢气分解为活性氢原子，并透过PdAu合金膜进入通道，最终进入反应腔体4，活性氢原子和氧气在反应腔体4内合成为过氧化氢，钛硅分子筛15有效抑制过氧化氢快速分解；从苯入口管9通入苯至反应腔体4内，苯与过氧化氢反应，最终生成产物苯酚，从苯酚出口管10排出。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，包括反应箱体（1）、透氢反应器和透氧反应器，其特征在于：所述反应箱体（1）位于电阻炉（16）内，所述透氢反应器位于反应箱体（1）内的上部，透氧反应器位于反应箱体（1）内的下部，所述透氢反应器和透氧反应器的四边与反应箱体（1）内壁连接，所述反应箱体（1）的上壁与透氢反应器之间形成氢气腔体（2），所述反应箱体（1）的下壁与透氧反应器之间形成空气腔体（3），所述透氢反应器和透氧反应器之间形成反应腔体（4），所述反应箱体（1）的上壁设有氢气入口管（5）和氢气出口管（6），所述氢气入口管（5）和氢气出口管（6）穿过电阻炉（16）上壁与外界连通；所述反应箱体（1）的下壁设有空气入口管（7）和空气出口管（8），所述空气入口管（7）和空气出口管（8）穿过电阻炉（16）下壁与外界连通；所述反应箱体（1）的前壁和后壁分别设有苯入口管（9）和苯酚出口管（10）；所述苯入口管（9）和苯酚出口管（10）分别穿过电阻炉（16）的前壁和后壁与外界连通。
2.根据权利要求1所述的一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，其特征在于：所述透氢反应器和透氧反应器均包括多孔不锈钢平板（11）和若干多孔不锈钢竖板（12），用以透过氢气或空气；所述多孔不锈钢竖板（12）垂直设置在多孔不锈钢平板（11）上，所述多孔不锈钢竖板（12）之间形成若干通道；所述透氢反应器的通道内壁设有透氢膜（13），用以将透过的氢气转化为活性氢原子；所述透氧反应器的通道内壁设有透氧膜（14），用以分离空气中的氧气；所述透氢反应器和透氧反应器的多孔不锈钢竖板（12）均朝向反应腔体（4）。
3.根据权利要求1和2所述的一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，其特征在于所用的载体为孔道直径30～50μm的不锈钢微通道反应片。
4.根据权利要求2所述的一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，其特征在于：所述透氢膜（13）为PdAu合金膜；所述透氧膜（14）为Ag透氧膜。
5.根据权利要求2所述的一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，其特征在于：所述透氢膜（13）和透氧膜（14）表面均负载钛硅分子筛（15），稳定活性氢原子和氧气合成的过氧化物种，抑制其分解。
6.根据权利要求4所述的一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，其特征在于：PdAu合金膜的制备方法：以AuCl3.HCl.4H2O为金的成膜材料，用氢氧化钠调节镀液pH值为11，以甲醛为还原剂，亚硫酸钠、硫代硫酸钠、抗坏血酸、乙二胺四乙酸二钠为稳定剂和络合剂，采用化学镀法在Pd膜表面制备Au膜；反应完毕后用乙醇和去离子水冲洗干净，100℃下干燥12h；然后进行PdAu合金化，在N2气氛下，将PdAu膜前驱体升温到350℃，然后换成H2气氛继续升温到550℃，保温一定时间后降温到350℃，将H2重新切换成N2，降至室温，升降温速率为1-2℃/min。
7.根据权利要求4所述的一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，其特征在于：Ag透氧膜的制备方法：采用化学镀法，首先采用SnCl2-PdCl2两步法在载体表面充分敏化-活化至载体表面呈黑褐色；然后以硝酸银作为银的成膜材料，用氨水调节镀液pH值为8-9，以乙二胺四乙酸二钠作为络合剂，水合肼为还原剂；采用夹套式容器作为化学镀反应器，通过水浴控制镀液的温度；反应完毕后将镀有银膜的载体用乙醇和去离子水冲洗干净，100℃下干燥12h。
8.根据权利要求1和2所述的一种用于苯制苯酚的透氧透氢集成催化膜微反应器，其特征在于将透氧透氢复合膜组装在不锈钢微通道膜反应器内进行苯一步氧化制备苯酚反应。
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